Was ist Verbrennung?

Verbrennung ist eine Art chemischer Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, die Energie in Form von Wärme und Licht erzeugt, meist als Flamme. Da sie mehr Wärmeenergie produziert als verbraucht, ist die Verbrennung eine exotherme Reaktion. Da es sich um Reduktion (Elektronengewinn) und Oxidation (Elektronenverlust) handelt, wird sie auch als Redoxreaktion klassifiziert. 

Die meisten Verbrennungsreaktionen erfordern Energie von Funken oder Flammen, um den Verbrennungsprozess zu starten. Wenn die chemische Reaktion genügend Energie produziert, um den Oxidationsprozess fortzusetzen, wird sie als selbst erhaltende Verbrennung bezeichnet. 

Verbrennungsreaktionen heizen Gebäude, kochen Essen, treiben Autos an, treiben Flugzeuge an, starten Raketen und erzeugen Strom. Die zunehmende Nutzung der Verbrennung auf Kohlenwasserstoffbasis durch den Menschen, insbesondere fossiler Brennstoffe, ist auch verantwortlich für die Zunahme der wärmespeichernden kohlenstoffhaltigen Moleküle in der Erdatmosphäre. 

Aus diesem Grund wird das Studium der Verbrennungslehre immer wichtiger. Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen arbeiten daran, effizientere Reaktionen mit verschiedenen Brennstoffen und Oxidantien zu entwickeln, die weniger Emissionen erzeugen, schädliche Nebenprodukte reduzieren und nachhaltige oder kostengünstigere brennbare Materialien als Brennstoffquelle verwenden. Durch die Optimierung des Verbrennungsprozesses können Leistung, Kosten und Emissionen erheblich verbessert werden.

Eine Redoxreaktion ist eine Reaktion, bei der Elektronen zwischen zwei Stoffen übertragen werden. Die Anzahl der Elektronen in einem bestimmten Atom oder Molekül wird als Oxidationszahl bezeichnet. Oxidationsreduktionsreaktionen sind grundlegend für die Basisfunktionen des Lebens, einschließlich Photosynthese, Atmung, Korrosion oder Rost und Verbrennung. 

Bevor wir uns einige häufige Verbrennungsreaktionen anschauen, sind hier einige Schlüsselbegriffe, die zur Beschreibung der Chemie der Verbrennung verwendet werden:

• Oxidationsmittel: Ein Ion oder Molekül, das Elektronen aufnimmt. Ein Oxidationsmittel oxidiert oder entfernt Elektronen aus den Molekülen in anderen Stoffen.
• Reduktionsmittel: Ein Ion oder Molekül, das Elektronen abgibt. Ein Reduktionsmittel reduziert oder fügt Elektronen zu den Molekülen in anderen Stoffen hinzu. 
• Brennstoff: Ein Material, das aus Reduktionsmitteln besteht. Der grundlegendste Brennstoff ist ein Wasserstoffmolekül. Die meisten Brennstoffe sind Kohlenwasserstoffe, obwohl einige Metalle und hochreaktive Elemente wie Phosphor als Brennstoff bei Verbrennungsreaktionen dienen. 
• Emissionen: Die Ionen und Moleküle, die die Verbrennungsprodukte sind. Obwohl Wärme und Licht das gewünschte Ergebnis der Verbrennung sind, konzentriert sich ein Großteil der Verbrennungslehre auf das Verständnis und die Minimierung von Emissionen. 
• Kohlenwasserstoff: Ein Molekül, das Wasserstoff und Kohlenstoff enthält und oft mit anderen organischen und anorganischen Verbindungen kombiniert wird. Kohlenwasserstoffe können durch organische Prozesse in Objekten wie Holz hergestellt werden. Fossile Brennstoffe sind die häufigste Form von Kohlenwasserstoffen, die bei der Verbrennung verwendet werden. Sie sind organische Kohlenwasserstoffe, die Millionen von Jahren Hitze und Druck ausgesetzt sind, um komplexe Moleküle wie Erdöl, Kohle und Erdgas zu bilden. 
• Kohlenoxide: Moleküle, die nur Kohlenstoff- und Sauerstoffatome enthalten, in der Regel Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2). Kohlenoxide sind die häufigsten Emissionen bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe. 
• Stickoxide: Moleküle, die nur Stickstoff- und Sauerstoffatome enthalten. Die beiden häufigsten Stickoxide, die bei der Verbrennung in der Luft entstehen, sind Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2). Jede Kombination aus NO und NO2 wird als NOx bezeichnet. NOx ist eine bedeutende Quelle der Luftverschmutzung. 
• Flamme: Eine erhitzte Kombination von Gasen, die eine Verbrennung durchlaufen. Das Innere oder der Kern einer Flamme besteht aus einer Mischung aus gasförmigem Oxidationsmittel und Brennstoff, und die Außenseite oder Flammenfront ist der Ort, an dem die Verbrennungsreaktion stattfindet. Die durch die Reaktion erzeugte Wärme regt die Elektronen im Gas an, und wenn diese angeregten Elektronen zu niedrigeren Energieniveaus zusammenbrechen, geben sie Energie in Form von Photonen frei. 
• Katalysator: Ein Material, das die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht. Katalytische Materialien werden bei der Verbrennung verwendet, um die Verbrennungsreaktion effizienter zu machen, bei niedrigeren Temperaturen ablaufen zu lassen und unerwünschte Emissionen wie NOx zu reduzieren. 
• Pyrolyse: Zersetzung eines Materials durch Wärmeeinwirkung, die nicht mit Oxidation einhergeht. Bei der Verbrennung werden flüssige und feste Brennstoffe in ein Gas umgewandelt, das dann durch Pyrolyse verbrannt wird.

Chemische Gleichungen für die Verbrennung

Die einfachste Form der Verbrennung ist die Verbrennung von Wasserstoff. Sie kombiniert zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül, um Wasserdampf zu erzeugen:

2H2 + O2 → 2H2O + 286 kJ/mol of heat

Energie wird in Form von Wärme erzeugt, weil Sauerstoffmoleküle aus zwei Atomen mit Doppelbindungen bestehen. Wenn Wärme zugeführt wird, brechen die Bindungen und setzen mehr Energie frei. 

Der einfachste Kohlenwasserstoffreaktant ist Methan CH4 :

CH4 + 2O2 →  CO2 + 2H2O + 890 kJ/mol of heat

Die Verbrennung von Methan erzeugt mehr Wärme pro Mol, da das Methanmolekül vier Einzelbindungen zwischen dem Kohlenstoffatom und jedem Wasserstoffatom aufweist. 

Propan, das C3H8 ist, hat zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und acht Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen:

C3H8 + 5O2 →  3CO2 + 4H2O + 2,220 Kj/mol of heat

Benzin ist ein komplexer Brennstoff, aber das primäre Reduktionsmittel ist Oktan, bei dem acht Kohlenstoffatome an 18 Wasserstoffatome gebunden sind. Dies führt zu sieben Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und 18 Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen:

2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + 5,483 kJ/mol of heat

Eine stöchiometrische Verbrennungsreaktion ist theoretisch ideal, bei der die Brennstoff- und Sauerstoffmenge exakt aufeinander abgestimmt werden, was zu größtmöglicher Wärme und maximaler Verbrennungseffizienz führt. 

Emissionen

Bei vollständiger Verbrennung sind die Verbrennungsemissionen Wasser oder, wenn Kohlenstoff vorhanden ist, Wasser und Kohlendioxid. Die meisten Verbrennungen sind jedoch mit anderen Molekülen, unvollständigen Reaktionen und Sekundärreaktionen verbunden, die zusätzliche Emissionen verursachen. Alle unerwünschten zusätzlichen Emissionen sind als Schadstoffe bezeichnen, und ein Großteil der Verbrennungslehre konzentriert sich auf die Verringerung dieser unerwünschten Emissionen.

In den meisten Fällen ist der Stickstoff in der Luft inert und beteiligt sich nicht an der Verbrennung. Sauerstoff kann jedoch bei hohen Verbrennungstemperaturen Bindungen mit Stickstoff bilden, um NOx zu erzeugen. Wenn die verfügbare Sauerstoffmenge zu gering ist, um vollständig mit dem Brennstoff zu reagieren, kann sich Kohlenmonoxid anstelle von Kohlendioxid bilden. Flüchtige organische Verbindungen können sich auch bei niedrigen Temperaturen während der Verbrennung bilden. Diese Verbindungen mit niedrigem Siedepunkt reagieren leicht mit anderen organischen Chemikalien und erzeugen unerwünschte Schadstoffe. 

Faktoren, die die Verbrennungseffizienz beeinflussen

Die Effizienz der Verbrennung wird durch eine Vielzahl von Eigenschaften beeinflusst. Ingenieur*innen können mit diesen Faktoren konstruieren, um die Effizienz der Thermodynamik einer bestimmten Verbrennungsanwendung zu erhöhen:

• Chemie des Brennstoffs: Die wichtigste Bestimmung der Energie und Emissionen, die bei einer Verbrennungsreaktion freigesetzt werden, ist die Chemie und die molekulare Zusammensetzung des oxidierten Brennstoffs. Die molekularen Bindungen bestimmen die Energie, die zum Starten der Verbrennung benötigt wird, und die erzeugte Wärme. Die Elementzusammensetzung, insbesondere die nichtkohlenwasserstoffhaltigen Elemente im Brennstoff, bestimmt die Art der erzeugten Emissionen. In der Chemie des Brennstoffs werden bedeutende Arbeiten durchgeführt, um neue Kraftstofflösungen wie synthetische Gase, Biokraftstoffe und erneuerbare Düsenkraftstoffe zu entwickeln und zu verbessern und zu untersuchen, welche Zusatzstoffe die Chemie des Brennstoffs verbessern können. Ingenieur*innen verlassen sich auf Ansys Model Fuel Library, der ihnen einen einfachen Zugang zu den Eigenschaften älterer Brennstoffe sowie zu den neuesten Alternativen bietet. 
• Verhältnis von Brennstoff und Sauerstoff: Die Oxidationsreaktion bei der Verbrennung wird durch die Menge an Sauerstoff angetrieben, die zur Reaktion mit dem Brennstoff zur Verfügung steht. Ziel ist es, genau das richtige Gemisch zu erhalten, damit der Kraftstoff vollständig verbrennt und keine unerwünschten Reaktionen auftreten. 
• Temperatur: Die chemische Kinetik der Verbrennung wird durch die Temperatur bestimmt, bei der die Reaktion stattfindet. Bei zu niedriger Temperatur oxidiert nur ein Teil der brennbaren Substanz im Brennstoff, und bei zu hoher Temperatur können unerwünschte Reaktionen auftreten, die NOx erzeugen. 
• Druck: Je höher der Druck der Gase bei einer Verbrennungsreaktion ist, desto schneller findet die Reaktion statt und es wird mehr Wärme erzeugt. Aus diesem Grund sehen Sie in vielen Verbrennungsanwendungen wie Verbrennungsmotoren und Turbinenmotoren eine Verdichtungsstufe. 
• Mischen: Damit die Verbrennung stattfinden kann, müssen sich die an der chemischen Reaktion beteiligten Moleküle in unmittelbarer physikalischer Nähe befinden. Aus diesem Grund ist das Design der beiden Mischungen entscheidend für die Effizienz. Turbulenzen, Gasgeschwindigkeit und Flammenform bestimmen, wie diese Mischung stattfindet. 
• Flammenform und Stabilität: Da die Verbrennungsreaktion an der Flammenfront stattfindet, ist die Form und Stabilität der Flamme selbst ein entscheidender Bestandteil der Auslegung eines Verbrennungssystems. Die Wärmeübertragung in der Flamme zwischen Flamme und Luft treibt die Temperatur und Effizienz des Verbrennungsprozesses an. 

Konstrukteur*innen stehen vor vielen Herausforderungen, wenn es darum geht, diese verschiedenen Faktoren in Einklang zu bringen. Die chemische Kinetik der Verbrennung wird beispielsweise durch eine Kombination aus Mischung, Brennstoffverhältnissen, Temperatur und Druck bestimmt. Ingenieur*innen verwenden oft Tools wie Ansys Chemkin-Pro™-Software, um reagierende Strömungen zu simulieren und ihre Konstruktionen im Hinblick auf höhere Effizienz und minimale Nebenprodukte und Abfälle zu optimieren. Die Chemkin-Pro-Software modelliert die chemische Reaktion unabhängig von der Geometrie. 

Ein universelles CFD-Softwareprogramm, das auch genaue Turbulenzen, Verbrennungsmodellierung und Strömungen mit mehreren Spezies enthält, wie Ansys Fluent-Software, ist für die Erfassung aller Faktoren in einer virtuellen Umgebung von entscheidender Bedeutung. Jeder Faktor kann erforscht, verstanden und optimiert werden. Ein Tool wie die Fluent-Software modelliert die dreidimensionalen Aspekte von Fluidströmung und Verbrennung. 

Obwohl jede Verbrennungsreaktion eine ähnliche chemische Reaktion beinhaltet, hängt die Art und Weise wie diese Reaktion abläuft, von der Verbrennung sowie von der Effizienz und den Emissionen der Reaktion ab. 

Hier sind die gängigsten Verbrennungsarten: 

• Vollständige Verbrennung: Wenn der gesamte Brennstoff in einer Verbrennungsreaktion vollständig verbraucht ist, wird dies als vollständige Verbrennung bezeichnet. Diese volle Nutzung von Brennstoff ist ideal, und die Auslegung der Verbrennungssysteme konzentriert sich darauf, eine möglichst vollständige Verbrennung zu erreichen. 
• Unvollständige Verbrennung: Wenn in einer Verbrennungsreaktion nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, wird dies als unvollständige Verbrennung bezeichnet. Ruß und Asche sind zusammen mit Kohlenmonoxid die Nebenprodukte einer unvollständigen Verbrennung. Es wird manchmal auch als Verkohlung bezeichnet, weil kohlensäurehaltiger Brennstoff übrig bleibt. 
• Selbstentzündung: Einige Oxidationsreaktionen erzeugen genug Wärme, um die Verbrennung ohne Zufuhr von Energie von außen in Gang zu setzen. Phosphor verbrannt sich beispielsweise spontan in der Luft, ebenso wie einige Öle und Lacke, wenn sie auf einem Lappen liegen. Einige bakterielle Fermentationsprozesse können auch genügend Wärme erzeugen, um die Verbrennung zu starten. 
• Schwelbrand: Langsame, flammenlose Verbrennung wird als Schwelbrand bezeichnet. Ein Schwelbrand tritt auf, wenn der Oxidationsprozess auf der Oberfläche des festen Brennstoffs statt auf gasförmigem Brennstoff stattfindet. Der Schwelbrand kann auch als langsame Verbrennung bezeichnet werden. 
• Schnelle Verbrennung: Wenn die Verbrennung in einer Flamme stattfindet, die Wärme und Licht abgibt, wird sie als schnelle Verbrennung bezeichnet. Die meisten industriellen Anwendungen der Verbrennung gelten als schnelle Verbrennung. 
• Explosive Verbrennung: Wenn die Verbrennung schnell genug abläuft, um eine schnelle und starke Ausdehnung der Gase zu verursachen, wird sie als explosive Verbrennung bezeichnet. Eine explosive Verbrennung wird in der Regel durch die Entzündung von Chemikalien erreicht, die sowohl Kohlenwasserstoffe als auch oxidierende Moleküle enthalten. 

Verbrennung hat viele Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen. Die meisten Anwendungen der Verbrennung verwenden Wärme für weitere chemische Reaktionen wie Kochen, oder die Wärme wird verwendet, um Gase auszudehnen, die dann für mechanische Arbeiten verwendet werden, wie z. B. in einem Verbrennungsmotor. Bis zur Einführung des elektrischen Lichts war die Verbrennung die einzige Quelle künstlichen Lichts. Elektrizität ersetzt auch viele wärmebasierte und druckproduzierende Verbrennungsanwendungen. 

Hier finden Sie die gängigsten Methoden zur Verbrennung:

• Beleuchtung: Seit der Vorgeschichte nutzen Menschen das Licht, das bei der Verbrennung abgegeben wird, um Licht zu liefern. Es wird immer noch in Propan- und Öllampen verwendet, wo kein Strom zur Verfügung steht oder wenn die Kerzenflamme gewünscht wird. 
• Heizung und Kochen: Auch Menschen nutzen Verbrennung, um zu heizen und ihr Essen zu kochen. Mit dem Wachstum der Technologie und der Bevölkerung hat sich das Heizen und Kochen auf Verbrennungsbasis von Holz oder Torf auf Kohle und dann auf Erdgas verlagert. 
• Natürliche Brände: Die Verbrennung in der Natur in Form von Waldbränden, Waldbränden und Bürstenbränden ist ein wichtiger Bestandteil biologischer Systeme. Wenn sie nicht vom Menschen verursacht werden, werden sie normalerweise durch Blitzschlag ausgelöst. 
• Verbrennungsmotoren: Wenn die Verbrennung innerhalb eines Kolbens stattfindet, kann das durch die Wärmeerzeugung sich ausdehnende Gas in mechanische Energie umgewandelt werden. Der gleiche Kolben wird auch verwendet, um das Luft-Brennstoff-Gemisch vor der Verbrennung zu komprimieren. Die Verbrennungsmotoren sind hochgradig optimierte Geräte, die sich kontinuierlich verbessern. Viele Ingenieur*innen verwenden Ansys Forte-Software, um die einzigartige und schwer zu simulierende Verbrennung in den Verbrennungsmotoren zu optimieren. 
• Turbomaschinen für Flugzeugtriebwerke, Kraftwerke und Pumpen: Das sich ausdehnende Gas aus der Verbrennung kann auch durch den Einsatz einer rotierenden Turbine in mechanische Energie umgewandelt werden. Die Rotationsenergie wird auch zur Verdichtung der Luft vor der Verbrennung verwendet. Turbomaschinen werden zum Antrieb von Flugzeugen, zum Betrieb von Pumpen und zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet.
• Rotating Detonation Engine (RDE): Anstatt das Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Motor mechanisch zu komprimieren, verwenden rotierende Detonationstriebwerke (RDEs) eine Überschallwellenfront, die sich in einem Ring bewegt, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch ohne bewegliche Teile stark zu komprimieren. 
• Raketenantrieb: Wenn auf einer Seite der Brennkammer keine explosive Verbrennung stattfindet, wird sie zum Raketenantrieb. Flüssigbrennstoffraketen verwenden flüssigen Sauerstoff und einen flüssigen Brennstoff, in der Regel flüssigen Wasserstoff oder flüssiges Methan. Feststoffraketentriebwerke verwenden Treibmittel, eine Mischung aus Oxidationsmittel und Reaktanten, und Hybridraketentriebwerke kombinieren ein festes Kohlenwasserstoff-Polymer mit einem flüssigen Oxidationsmittel wie Stickstoffoxid oder flüssigem Sauerstoff. 
• Industrielle Brenner: Die Verbrennungswärme kann auch in industriellen Anwendungen für andere chemische Prozesse wie Destillation oder zum Schmelzen von Materialien eingesetzt werden. Industrielle Brenner können auch zum Kochen von Wasser verwendet werden, um Dampf zu erzeugen, der in mechanischer Energie umgewandelt werden kann, oder als Methode, Wärme über große Entfernungen zu leiten, wie z. B. Dampfheizung. 

Auch wenn Verbrennung eine der ersten Technologien war, die von Menschen entwickelt wurden, wird sie immer noch rasant vorangetrieben, mit bedeutenden F&E und bahnbrechenden Fortschritten in den Bereichen Brennstoffe, Verbrennungskinetik und neue Anwendungen. Diese Bemühungen kombinieren Chemie, Physik, Strömungsmechanik und Maschinenbau. 

Künstliche Intelligenz (KI) hilft auch bei der Optimierung der Thermochemie der Verbrennung und unterstützt Ingenieur*innen bei der Entwicklung neuer Methoden, um mit den hohen Temperaturen umzugehen, die für eine sauberere und effizientere Verbrennung erforderlich sind. 

Ein Großteil der Forschung über Kraftstoffe konzentriert sich auf die Verwendung von Wasserstoff und Biokraftstoffen, insbesondere von nachhaltigen Flugkraftstoffen (SAF). Obwohl der Luftverkehr nur 2,4 % der CO2-Emissionen trägt, wird es erwartet, dass die Zahl der gewerblichen Flüge sich bis 2050 verdreifacht. Jetzt ist es also an der Zeit, nachhaltige Brennstoffquellen zu finden, die weniger Auswirkungen auf den Klimawandel haben. 

Um als nachhaltige Flugkraftstoffe zu gelten, muss der Kraftstoff die Emissionen im Vergleich zu herkömmlichem Flugzeugkraftstoff um 50 % oder mehr reduzieren. Auch wird an der Beimischung von Wasserstoff zu Brennstoffen oder der direkten Verwendung von Wasserstoff für industrielle Brenner, ICEs und Turbinenmotoren gearbeitet. 

Ein Anstieg um nur wenige Prozentpunkte kann sowohl bei den Kosten der Stromerzeugung als auch bei den langfristigen Emissionen einen großen Unterschied machen. Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen entwickeln komplexe Simulationen, die sich mit der Flammenform, der Flammenstabilität und dem Austrittsprofil des Verbrennungsstroms befassen, um mehr Energie und geringere Emissionen zu erzeugen. 

Andere Gruppen arbeiten auch daran, das hörbare Geräusch zu verbessern, das durch Verbrennung entsteht, und wie bessere Fluidmodellierung und insbesondere Turbulenzsimulation die Effizienz verbessern können. 

Während diese Verbesserungen an Kraftstoffen und dem Verbrennungsprozess vorgenommen werden, arbeiten branchenübergreifende Teams an neuen Anwendungen für die Verbrennung. Der Wettlauf um schnellere Flugzeuge treibt neue Fortschritte bei Ramjet- und Scramjet-Designs voran, bei denen die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs verwendet wird, um Luft für die Verbrennung zu komprimieren. Workaround RDEs weisen auf erhebliche Effizienzverbesserungen bei Erdgasturbinen hin, die für die Stromerzeugung verwendet werden. Die Verbesserungen an Dieselmotoren zeigen den Wert hocheffizienter ICE-Kraftwerke in Verbindung mit elektrischen Antriebssträngen, um die Emissionen von Lokomotiven und großen Lkw zu reduzieren. 

All diese Bemühungen steigern die Leistung und arbeiten auf eine nachhaltigere Zukunft hin, in der die Nebenprodukte der Verbrennung – Treibhausgase – reduziert werden. 

Zugehörige Ressourcen